激光干涉仪非线性的测量

　　1　引言

　　随着精密加工等对测量精度要求的不断提高,激光干涉仪和高精度位移传感器的非线性已成为必须研究的对象。由于拍频Fabry-Prot (F-P)激光干涉仪具有灵敏度高、测量精度高等特点,已用于激光干涉仪非线性测量的研究[1,2]。经过改进的拍频F-P激光干涉仪扩大了测量范围,使它的实际应用成为可能[3,4]。本文描述了使用拍频F-P激光干涉仪对工业用激光干涉仪非线性的测量实验及结果,测量范围大于1.3μm,测量不确定度约为2 nm。

　　2　测量装置

　　拍频F-P激光干涉仪测量工业激光干涉仪非线性的测量装置及原理如图1所示。图中,D1,D2为光探测器,IO为光隔离器,PBS为偏振分光镜,M为反射镜,CC为立体角反射镜,S为模拟开关,D/A1、D/A2为数模转换,A/D为模数转换。测量原理的详细说明参见文献[3]。

　　拍频F-P激光干涉仪工作时,工作激光器L2的谐振频率锁定在F-P干涉仪输出光强的极大值上。当F-P干涉仪的立体棱镜随着PI(德国PhysikInstruments公司生产)精密位移工作台移动时,工作激光器L2的频率随之改变。F-P干涉仪两相邻干涉级次间的位移量为λ/4,对应的频差ΔνF(又称为F-P干涉仪的自由光谱区)可由计算和拍频测量准确得到。因此通过测量碘稳频激光器与工作激光器L2的频差变化,可得到F-P干涉仪的腔长变化的准确值,从而得出位移工作台相应的准确位移量。可以得到,拍频值和位移的关系为[3]:

式中,ΔN为整数干涉级次,Δν为对应于位移ΔL的频率变化量,由拍频系统测量得出;ΔνF=c/2KL,为F-P干涉仪的自由光谱区,其中c为真空中光速,K为与F-P腔结构有关的正整数(平面腔K=1;球面共交腔和本实验中使用的折叠腔K=2),L为F-P干涉仪的长度。

　　通常,对于拍频F-P干涉测量系统,工作激光器频率的单模区限制了它的频率变化范围,从而也限制了此种测量方法的测量范围和实用性。采用工作激光换模锁定法可很好地解决这个问题。

　　如图2所示,图中G(ν)为激光增益曲线,I(ν)为干涉仪输出功率曲线,ν0、ν1为F-P干涉仪两个相邻级次的谐振频率。测量时,工作激光器的频率从ν0开始跟踪F-P腔长的变化,当激光器频率到达ν1时,固定F-P干涉仪的腔长,同时,将工作激光器的频率锁定系统开环,并在它的PZT加一个电压,使激光频率返回到ν0,ν1-ν0=ΔνF。即将工作激光器的同一级纵模锁定于F-P腔的下一干涉级次,再继续位移测量。由于在位移测量过程中,F-P干涉仪的腔长始终准确对应于工作激光器的频率,因此位移测量是准确的。

　　拍频F-P激光干涉仪的输出光强由光电二极管接收,经过Stanford锁定放大器, A/D,D/A转换,及计算机实现干涉条纹自动锁定。综上所述,图示的测量系统有如下特点: